Introducción a xbee

Este es el primer post de xbee de un total de tres. El cual es sobre una descripción e introducción de los módulos xbee bajo y  el estándar al que pertenecen Zigbee (802.15.4).

FIg. 1.  xbee Serie 1

Introducción 

Zigbee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de comunicaciones inalámbricas basado en el estándar de comunicaciones para redes inalámbricas de área personal (Wireless personal área network, WPAN) IEEE 802.15.4 Creado por Zigbee Alliance, una organización, teóricamente sin ánimo de lucro.

 Este protocolo trabaja con tecnología inalámbrica para tasas bajas de envió de datos, utiliza banda libre ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2.4 GHz, con una velocidad de transferencia máxima de 250Kbps y distancias de hasta 100 m. Las topologías de red soportada por el estándar son: la topología en estrella y en malla, cada red soporta en teoría hasta 65535 nodos distribuidos en subredes de 255 nodos, con un consumo de energía bajo, permitiendo que dispositivos electrónicos de bajo consumo puedan realizar sus comunicaciones inalámbricas. Es especialmente útil para sensores de entornos industriales, médicos y, sobre todo, domóticas.

Contenido

Los módulos Xbee’s son dispositivos que integran un transmisor-receptor de Zigbee y un procesador del mismo módulo, lo que permite desarrollar aplicaciones de una manera rápida y sencilla. El módulo de la serie 1 está basado en el chipset Fresscale y está pensado para ser utilizado en redes de punto a punto y punto a multipunto.

Entre las redes multipunto las únicas topologías soportadas por el estándar IEEE 802.15.4 son en estrella y malla, Figura 2.

Figura.2 Topologías soportadas por el estándar IEEE 802.15.4.

En la topología estrella se establece con un módulo central, que es el coordinador de la red, llamado coordinador PAN (Network Area Personal). El coordinador puede tener una aplicación específica, pero además, es empleado para inicializar, terminar o encaminar las tramas alrededor de la red.

Todas las comunicaciones se estableen a través del coordinador, es decir, si algún dispositivo necesita comunicarse con otro, la comunicación se realiza a través del coordinador.

Esta característica permite que no existan colisiones entre los paquetes que envía cada dispositivo.

Los dispositivos de una red IEEE 802.15.4 se pueden clasificar de acuerdo al papel que desempeñen en la red:

Coordinador: Se encarga de inicializar una red (PAN ID) y establecer un canal de comunicaciones, envía los paquetes para sincronización (beacons) y pueden servir de enlace con otras redes, también son conocidos como Full-Function Device (FFD).

Router: Sirve como repetidor ya que se encarga del enrutamiento de los paquetes que requieran saltos multiples, también están dentro de la categoría de los FFD.

End- divives: Son los dispositivos más básicos de la red, son los sensores o actuadores de la red y solo se pueden comunicar con un coordinador o router, también son conocidos como Reduced-Function Device (RFD).
El xbee con estado en router, solamente es posible de configurarse en los xbee´s de la serie 2, por el momento solo se abordara los xbee's de la serie 1. 

La arquitectura de IEE 82.15.4  se define en base al modelo OSI (Open Systems Interconnection). 

Conceptos básicos para establecer una comunicación entre los módulos xbee

Para establecer la comunicación del coordinador con los trabajadores(dispositivos finales) se debe crear una red PAN y un canal de comunicación, el protocolo IEEE 802.15.4 dispone de 16 canales, este estándar indica que entre cada canal, deben existir 5MGZ de diferencia, Partiendo de la frecuencia base 2.405 GHz hasta los 2.480 GHz.

Figura 3. Canales disponibles para el protocolo IEEE 802.15.4 

Los módulos xbee proveen dos formas de comunicación:

·         Modo de Transmisión Serial Transparente (modo AT).

·         Modo API a través de tramas.

El modo transparente (AT): es el más sencillo para la transferencia, la comunicación de una transmisión es a través de un puerto serial, ya que el dispositivo crea la trama y el dato pasa por el pin TX del modulo xbee y se envía de forma inalámbrica.

En el modo API: el microcontrolador externo se encarga de crear una trama específica, se suelen utiliza en redes grandes y evitan perder tiempo en la entrada y salida de datos en el Xbee. Se permite el uso de frames, con cabeceras que aseguran la entrega de datos. Toda la información que entra y sale es empaquetada en frames, que definen operaciones y eventos dentro del módulo.

Un frame de transmisión incluye:

·         Frame de información RF transmitida

·         Frame de comando (equivalentes a comando AT).

Un frame de recepción:

·         Frame de información RF recibida

·         Comandos de respuesta

·         Notificaciones de eventos como Reset, Asssociate, Dissociate, etc.

Entre las opciones que permite la API se tiene:

·         Transmitir información a múltiples destinatarios, sin entrar al modo de comandos

·         Recibir estados de éxito/falla de cada paquete RF transmitido

·         Identificar la dirección de origen de cada paquete recibido.

El formato del frame de la API es el siguiente:

FIG. 4 Estructura del frame. Ocupando Dirección de 16 bits

Direccionamiento de los módulos

Los módulos permiten 2 tipos de direccionamiento. La de 16 bit y la de 64 bits. La principal diferencia es que en la de 64 bit, es posible obtener una mayor cantidad de direcciones y por lo tanto, una mayor cantidad de nodos o equipos funcionando en la misma red. Son a través de estas direcciones que los módulos se comunican entre sí. 

Entre las posibilidades que permite la API, está la posibilidad de cambiar parámetros a través de comandos AT, enviados; también es posible consultar el estado de un parámetro en otro modulo o consultar si un módulo es un coordinador.

Los modos de configuración de los xbee son 4:

FIG. 5 Modos de configuración de xbee

Modo transmitir/recibir

Se encuentra en estos modos cuando el modulo le llega algún RF a través de antena (modo Receive ) o cuando se manda información serial al buffer del pin 3 (UART Data in) que después será transmitido.

La información transmitida pueda ser Directa o Indirecta, en el segundo caso la información es retenida durante un periodo de tiempo y es enviada solo cuando la dirección de destino la solicita.

Modo de bajo consumo (sleep Mode)

El modo de sueño hace posible que el modulo RF entre en un modo de bajo consumo de energía cuando se encuentra en uso.

Modo de comando

Este modo permite ingresar comando AT al modulo Xbee, para configurar, ajustar o modificar parámetros. Permite modificar parámetros como la dirección propia o la de destino, así como la operación entre otras cosas.

Idle

Cuando el xbee no se encuentra en ninguno de los otros modos, se encuentra en este. Es decir no se encuentra transmitiendo ni recibiendo información, ni ahorrando energía o configuración.

Con esto terminamos la introducción de los modulos xbee's, el siguiente post tratara de la configuración básica de los módulos xbee's para una red multipunto.

Bibliografía

IEEE Standard 802.15.4-2003, Part 15.4:  Wireless Medium Access  Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE, October 2003.

Faludi, Robert (2010) Building wireless sensor Network (1 ed.) United States of America:O’Really Media-

]Xbee / Xbee Pro RF Modulos, Digi International INC. (2009): http:// http://www.xbee.cl